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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 최진주
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 광운대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수12
이 논문의 연구 히스토리 (3)
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본 논문에서는 S-대역 레이더 시스템 송수신 모듈용 GaN HEMT 내부정합형 전력 증폭기 설계 및 제작에 관한 연구를 수행하였다.
일반적으로, 반도체 GaN HEMT 단일 소자의 출력이 제한적이므로 고 출력을 얻기 위해 패키지 된 단일 전력 소자를 이용한 전력 증폭기를 주로 정합 회로 외부에서 2-way Wilkinson 결합기 등을 이용하여 원하는 출력을 얻는 방식을 사용하였다. 이러한 결합 구조로 제작된 고출력 전력 증폭기 모듈은 결정적으로 하이브리드 결합기의 삽입 손실로 인한 출력 전력 특성이 저하 되고, 이로 인해 효율 특성에도 영향을 미친다. 이러한 문제를 극복하기 위해 패키지 내부에서 고출력 GaN HEMT die 소자 2개를 이용한 소자 간 결합 구조를 구현하여, 단일 전력 패키지 소자로 사용 가능하게 설계 및 제작이 되었다. 입/출력 정합 회로에는 고출력 전력 소자에 적합한 이중 결합 구조를 적용한 설계 방법과 GaN HEMT die 및 내부 정합 회로를 구현하기 위한 전력 패키지 설계 및 제작에 관해서도 기술하였다. 그리고 제작된 전력 증폭기 효율 개선을 위해서 트랜지스터의 드레인-소스 간 전압 및 전류 파형을 측정하고 결과를 분석하였다.
S-대역 300 W급 GaN HEMT 내부 정합형 전력 증폭기는 Cree 사 CGH60120D GaN bare chip을 사용하였고, Prototype 및 패키지 된 내부 정합형 전력 증폭기를 제작하고 특성들을 분석하였다. 측정 결과, Prototype 전력 증폭기는 2.7∼3.1 GHz의 주파수 대역에서 최대 55.4 dBm의 출력 전력과 최대 78%의 효율 특성을 얻었고, 패키지 된 내부 정합형 전력 증폭기는 2.7∼3.1 GHz의 주파수 대역에서 최대 55.14 dBm의 출력 전력과 최대 64 %의 높은 효율 특성을 얻었다
또한 300 W급 GaN HEMT 내부 정합형 전력 증폭기와 같이 소자 간 결합이 아닌 다수의 전력 증폭 모듈을 결합하기 위한 전력 결합 구조를 연구개발 하였다. 2.5∼4.8 GHz의 주파수 대역에서 높은 결합 효율을 가지는 16-way Radial Cavity 전력 결합기를 설계 및 제작하였고, 제작된 전력 분배기/결합기와 16개의 전력 증폭기를 이용하여 전력 결합 시스템을 검증하였다. 전력 결합기를 사용하여 16개의 전력 증폭기를 결합할 때 96 %의 높은 결합 효율이 측정되었다.
향후 본 논문에서 제작한 300 W급 GaN HEMT 내부 정합형 전력 소자와 높은 결합 효율을 가지는 16-way Radial Cavity 전력 결합기를 이용한 전력 결합 시스템은 고출력을 필요로 하는 레이더 시스템 뿐만 아니라 TWT와 같은 기존의 튜브를 대체 할 수 있을 것으로 기대된다.
일반적으로, 반도체 GaN HEMT 단일 소자의 출력이 제한적이므로 고 출력을 얻기 위해 패키지 된 단일 전력 소자를 이용한 전력 증폭기를 주로 정합 회로 외부에서 2-way Wilkinson 결합기 등을 이용하여 원하는 출력을 얻는 방식을 사용하였다. 이러한 결합 구조로 제작된 고출력 전력 증폭기 모듈은 결정적으로 하이브리드 결합기의 삽입 손실로 인한 출력 전력 특성이 저하 되고, 이로 인해 효율 특성에도 영향을 미친다. 이러한 문제를 극복하기 위해 패키지 내부에서 고출력 GaN HEMT die 소자 2개를 이용한 소자 간 결합 구조를 구현하여, 단일 전력 패키지 소자로 사용 가능하게 설계 및 제작이 되었다. 입/출력 정합 회로에는 고출력 전력 소자에 적합한 이중 결합 구조를 적용한 설계 방법과 GaN HEMT die 및 내부 정합 회로를 구현하기 위한 전력 패키지 설계 및 제작에 관해서도 기술하였다. 그리고 제작된 전력 증폭기 효율 개선을 위해서 트랜지스터의 드레인-소스 간 전압 및 전류 파형을 측정하고 결과를 분석하였다.
S-대역 300 W급 GaN HEMT 내부 정합형 전력 증폭기는 Cree 사 CGH60120D GaN bare chip을 사용하였고, Prototype 및 패키지 된 내부 정합형 전력 증폭기를 제작하고 특성들을 분석하였다. 측정 결과, Prototype 전력 증폭기는 2.7∼3.1 GHz의 주파수 대역에서 최대 55.4 dBm의 출력 전력과 최대 78%의 효율 특성을 얻었고, 패키지 된 내부 정합형 전력 증폭기는 2.7∼3.1 GHz의 주파수 대역에서 최대 55.14 dBm의 출력 전력과 최대 64 %의 높은 효율 특성을 얻었다
또한 300 W급 GaN HEMT 내부 정합형 전력 증폭기와 같이 소자 간 결합이 아닌 다수의 전력 증폭 모듈을 결합하기 위한 전력 결합 구조를 연구개발 하였다. 2.5∼4.8 GHz의 주파수 대역에서 높은 결합 효율을 가지는 16-way Radial Cavity 전력 결합기를 설계 및 제작하였고, 제작된 전력 분배기/결합기와 16개의 전력 증폭기를 이용하여 전력 결합 시스템을 검증하였다. 전력 결합기를 사용하여 16개의 전력 증폭기를 결합할 때 96 %의 높은 결합 효율이 측정되었다.
향후 본 논문에서 제작한 300 W급 GaN HEMT 내부 정합형 전력 소자와 높은 결합 효율을 가지는 16-way Radial Cavity 전력 결합기를 이용한 전력 결합 시스템은 고출력을 필요로 하는 레이더 시스템 뿐만 아니라 TWT와 같은 기존의 튜브를 대체 할 수 있을 것으로 기대된다.
목차
제 1장 서론 1제 2장 전력 증폭기 이론 82.1 반도체 전력 증폭기 82.2 GaN HEMT 소자의 특성 17제 3장 S-대역 GaN HEMT 내부 정합형 전력 증폭기 연구 223.1 단일 소자를 이용한 120 W급 GaN HEMT 전력 증폭기 223.1.1 전력 소자 선정 223.1.2 소스-/로드-풀 시뮬레이션 243.1.3 입/출력 정합 회로 설계 323.1.4 120 W급 GaN HEMT 전력 증폭기 제작 및 측정 373.2 Prototype 300 W급 GaN HEMT 내부 정합형 전력 증폭기 433.2.1 전력 소자 선정 433.2.2 입/출력 정합 회로 설계 443.2.3 300 W급 전력 증폭기 제작 및 측정 563.3 300 W급 GaN HEMT Package 623.3.1 GaN HEMT Package 설계 623.3.2 GaN HEMT Package 제작 663.4 Packaged 300 W급 GaN HEMT 내부 정합형 전력 증폭기 713.4.1 Packaged 300 W급 전력 증폭기 제작 및 측정 753.4.2 Packaged 300 W급 전력 증폭기 열 해석 753.4.3 트렌지스터의 전압/전류 파형 측정 78제 4장 전력 증폭기 전력 결합 시스템 914.1 전력 결합 기술 924.1.1 Corporate(Binary) 결합 방식 934.1.2 공간(Spatial) 결합 방식 964.1.3 Radial 결합 방식 1034.2 16-way Radial Cavity 전력 결합기 설계 및 제작 1074.3 16-way 전력 결합 시스템 121제 5장 결론 127참고문헌 129
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